CC BY
50DOI https://doi.org/10.47612/1999-9127-2021-31-147-158 УДК 612.392.69 + 581.13 + 631.524.7
Н. И. Дубовец1, Н. М. Казнина2, О. А. Орловская1, Е. А. Сычёва1
ПРОБЛЕМА ДЕФИЦИТА ЦИНКА В РАЦИОНЕ ПИТАНИЯ НАСЕЛЕНИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ЕЕ
РЕШЕНИЮ
Государственное научное учреждение «Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси» Республика Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Академическая, 27 e-mail: [email protected] 2Институт биологии — обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения Федерального исследовательского центра «Карельский научный центр Российской академии наук» Россия, 185610, г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11
В статье представлен обзор литературных данных, касающихся влияния дефицита цинка в продуктах питания на здоровье человека. Подчеркнут глобальный характер проблемы, охватывающей население не только развивающихся, но и развитых стран. Проанализированы результаты исследований, направленных на изучение влияния недостатка цинка на основные физиологические процессы культурных злаков, обеспечивающие их продуктивность. Рассматриваются современные подходы к биофортификации сельскохозяйственных культур микронутриентами и описаны достигнутые в этом направлении успехи. Сделан вывод, что для повышения питательной ценности зерна пшеницы, в том числе обогащения его цинком, оптимальным подходом является отдаленная гибридизация, сопряженная с использованием молекулярных маркеров.
Ключевые слова: дефицит цинка, здоровье, культурные злаки, физиологические процессы, продуктивность, питательная ценность зерна, генетическая биофортификация.
Введение
Микроэлементы играют фундаментальную роль в биохимических и физиологических процессах жизнедеятельности биологических систем. Основным их поставщиком для высших растений служит почва. Недостаток микроэлементов в почве, либо низкая их доступность для поглощения вследствие высокого содержания в почве кальция, ее заболачивания и защелачивания, снижения уровня рН (а такие почвы составляют около 50% земель, занятых посевами злаковых культур) приводят к существенным потерям урожая сельскохозяйственных культур, а также к ухудшению качества получаемой продукции. Это, в свою очередь, негативно отражается на здоровье человека и животных, причем наиболее опасным в этом плане считается дефицит цинка ^п), что обусловлено его чрезвычайно важной и многоплановой ролью в клеточном метаболизме [1]. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в мире от дефицита
микроэлементов, в особенности цинка ^п) и железа ^е), страдают более 2 млрд человек, что проявляется в общем ухудшении здоровья, анемии, низкой производительности труда, увеличении заболеваемости и уровня смертности. В первую очередь это касается развивающихся стран, где значительную часть рациона питания населения составляют злаки [2-4]. В связи с этим проблема дефицита микроэлементов (так называемый «скрытый голод») была недавно объявлена приоритетным направлением мировых исследований (http://www.copenhagenconsensus.com), что послужило триггером для поиска эффективных путей обогащения пищевых культур микро-нутриентами.
Недостаток Zn в почве традиционно компенсируют внесением высоких доз цинксо-держащих минеральных удобрений, однако такой подход нередко приводит к увеличению содержания металла в почве и в растениях до токсичных значений. Альтернативой ему явля-
ется создание сортов, обладающих способностью даже в условиях значительного дефицита Zn в почве и в растениях осуществлять нормальную жизнедеятельность и давать высокие урожаи за счет усиленного поглощения этого микроэлемента и/или его активной метаболи-зации и более эффективного использования в обмене веществ. Тем не менее ощутимых результатов в этом направлении добиться пока не удалось вследствие недостатка знаний о влиянии дефицита цинка на протекание физиологических процессов у растений, а также о механизмах их устойчивости к этому виду стресса. Более эффективным на настоящий момент подходом к решению проблемы является генетическая биофортификация, включающая как традиционные методы селекции, основанные на генетической изменчивости целевого признака, так и современные технологии, нацеленные на идентификацию генов, ответственных за поглощение, транспорт и накопление микроэлементов в тканях растений, что открывает возможность проводить маркер-опосредованную селекцию сортов с повышенной питательной ценностью [5].
Исходя из вышеизложенного, целью настоящего обзора явилось обобщение литературных данных о влиянии дефицита Zn на здоровье человека и на основные физиологические процессы культурных злаков, а также анализ состояния работ по генетической биофортификации злаковых культур с акцентом на биофортификацию цинком пшеницы, как одной из самых значимых продовольственных культур.
Влияние дефицита цинка на здоровье человека
Общее количество Zn в организме человека составляет 2-3 г, из которых почти 90% находится в мышцах и костях. Другие органы, содержащие значимые концентрации этого микроэлемента, включают простату, печень, желудочно-кишечный тракт, почки, кожу, легкие, мозг, сердце и поджелудочную железу [6]. На клеточном уровне 30-40% Zn локализовано в ядре, 50% — в цитозоле, а оставшаяся часть связана с мембранами [7]. Более 300 ферментов и 2 000 факторов транскрипции нуждаются в Zn для выполнения своих функций и поддержания стабильности своих структур. Выполняя в организме три основные биологические
функции — каталитическую, структурную и регуляторную, он является настолько важным элементом для здоровья человека, что даже небольшой его недостаток может привести к катастрофическим последствиям [8].
Впервые о дефиците Zn в организме человека заговорили в 1961 году, когда у иранских мужчин были диагностированы такие симптомы, как задержка роста, гипогонадизм, кожные аномалии и умственная отсталость, которые, как оказалось, связаны с недостатком этого микроэлемента в пище [9]. Позднее аналогичные клинические особенности были обнаружены у некоторых египетских пациентов [10]. Это послужило толчком для детального изучения клинических проявлений дефицита Zn у человека и выявления среди населения групп риска. По нынешним оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), около 2 млрд человек, живущих в развивающихся странах, страдают от дефицита Zn. Это обусловлено тем, что население этих стран питается преимущественно зерновыми белками, содержащими большое количество органических фосфатных соединений, которые в сочетании с Zn делают его недоступным для усвоения [11].
Следует, однако, отметить, что проблема дефицита Zn затрагивает не только развивающиеся, но и промышленно развитые страны. Так, по данным A. S. Prasad [12], около 30% здоровых, обеспеченных пожилых людей, живущих в развитых странах, также испытывают дефицит этого микроэлемента из-за повышенного молярного отношения фитата к цинку в их рационе, что в основном связано со снижением потребления богатых Zn продуктов, в частности, красного мяса. Кроме того, имеются сведения, что с возрастом происходит снижение эффективности абсорбции цинка [13].
Вследствие множества основных биохимических функций, выполняемых Zn в клетках человеческого тела, его дефицит оказывает влияние на функциональную активность многих органов и систем: пищеварительную, покровную, нервную, иммунную, скелетную, репродуктивную и т.д. [8]. При этом клинические проявления дефицита Zn зависят от возраста [14]. Так, в раннем младенчестве наиболее заметным симптомом является диарея. Помимо этого, дефицит Zn приводит к нару-
шению когнитивных функций, поведенческим проблемам, нарушению памяти, неспособности к обучению и атрофии нейронов. По мере взросления ребенка более частыми становятся проблемы с кожей. У детей школьного возраста часто встречаются алопеция, задержка роста и рецидивирующие инфекции [15]. Среди пожилых людей распространены хронические незаживающие язвы кожи и рецидивирующие инфекции [16]. Кроме того, со снижением концентрации Zn в глазу связана возрастная дегенерация желтого пятна, которая поражает почти 25% людей старше 65 лет, а на позднюю стадию заболевания приходится почти 50% случаев слепоты в Европе и Северной Америке [17].
Все перечисленные выше эффекты выявлены в контролируемых клинических испытаниях, продемонстрировавших положительный ответ на дополнительный прием Zn [15]. Огромный прогресс, достигнутый за последние пять десятилетий в понимании биохимической роли этого микроэлемента, привел к тому, что в настоящее время Zn является одобренным препаратом для лечения и поддерживающей терапии большого количества заболеваний.
В этом плане в первую очередь следует отметить, что использование Zn для лечения острой диареи у младенцев и детей в развивающихся странах спасло миллионы жизней [11].
Zn используют как альтернативное лечение при болезни Вильсона — фатальном наследственном заболевании, связанном с нарушением метаболизма меди и избыточным ее накоплением преимущественно в печени и центральной нервной системе. Препараты Zn (сульфат, окись, ацетат цинка) индуцируют металлотионины энтероцитов, обладающих высоким сродством к меди, что приводит к захвату меди из пищи, связыванию в эпителии кишечника, и препятствию абсорбции металла в системный кровоток с выделением избытка меди с калом [17].
Zn является единственным лекарством, которое эффективно снижает частоту инфекций и болевых кризов у пациентов с серповидно-клеточной анемией.
Подтверждена целесообразность использования препаратов Zn и для снижения общей длительности широко распространенных сре-
ди населения всех возрастов острых респираторных заболеваний (грипп, аденовирусные инфекции и др.), в том числе для ослабления и купирования у пациента отдельных симптомов (насморк, заложенность носа, першение в горле, охриплость, кашель, боли в мышцах) [18]. Показано, что при условии начала лечения в течение 24 ч с момента появления симптомов, пастилки с ацетатом цинка сокращают продолжительность простуды на 50% [11]. Это обусловлено тем, что в поддержании противовирусного иммунитета участвуют 118 цинксодержащих белков, причем 11 из них необходимы для защиты от одноцепочечных РНК вирусов, в том числе от коронавируса SARS-CoV-2 [19].
Здесь уместно будет отметить, что пандемия COVID-19 заставила по-новому оценить важность вклада различных микронутриентов, и в первую очередь Zn, в поддержку врожденного иммунитета. Дело в том, что пандемия в наибольшей степени затрагивает пожилых пациентов с хроническими коморбидными патологиями, и совершенно очевидно, что пациенты с повышенным уровнем хронического воспаления относятся к группе риска более тяжелого течения COVID-19. В настоящее время не существует эффективных и безопасных способов фармакотерапии как COVID-19, так и хронических коморбидных патологий, поэтому микронутриентная поддержка врожденного иммунитета (включая снижение уровня хронического воспаления) является важнейшим условием снижения тяжести течения ко-ронавирусной инфекции и ускорения реабилитации пациентов, перенесших СО"УШ-19 [19].
Нельзя не упомянуть также, что при многих хронических заболеваниях, таких как атеросклероз, некоторые злокачественные новообразования, неврологические расстройства, аутоиммунные и возрастные дегенеративные заболевания, сопутствующий дефицит Zn может осложнять клинические проявления, отрицательно влиять на иммунологический статус, усиливать окислительный стресс и приводить к образованию воспалительных цитокинов [8]. Вследствие этого очень важно, чтобы статус Zn у пациента оценивался в любом случае и его дефицит подвергался корректировке, поскольку уникальные свойства этого микроэлемента могут иметь значительные терапев-
тические преимущества при упомянутых заболеваниях.
Что же касается всего населения, то совершенно очевидно, что включение в рацион богатых цинком продуктов позволит избежать возникновения многих распространенных заболеваний.
Влияние дефицита цинка на физиологические процессы и продуктивность культурных злаков
Проблема дефицита Zn в рационе питания человека, как уже отмечалось, тесно связана с недостатком этого микроэлемента в растительной пище, но и сами растения для нормальной физиологической и биохимической активности остро нуждаются в ежедневном потреблении оптимального количества Zn. Так, Zn незаменим для обеспечения роста и развития растения, что связано с его участием в синтезе триптофана, являющегося предшественником одного из наиболее важных гормонов роста — индолилуксусной кислоты (ИУК) [20]. Немаловажную роль играет этот элемент и в защите клеточных мембран от перекисного окисления липидов и белков, что определяется его способностью взаимодействовать с фосфолипидами и SH-группами мембранных белков, обеспечивая поддержание структурной и функциональной целостности мембран [21]. Доказана необходимость этого микроэлемента и для процесса деградации белков, поскольку некоторые протеазы представляют собой Zn-зависимые белки. Наконец, Zn является компонентом ДНК-связывающего домена под названием «цинковые пальцы» (zinc finger proteins), который входит в состав целой группы транскрипционных факторов, играющих ключевую роль в различных внутриклеточных процессах, включая связывание ДНК и РНК, белок-белковые и РНК-белковые взаимодействия, регуляцию апоптоза и др. [22]. Учитывая столь многогранную роль Zn, неудивительно, что его дефицит оказывает сильное негативное воздействие на растения.
Симптомы дефицита Zn у злаков относительно легко выявляются визуально: отмечается низкорослость растений, вызванная задержкой верхушечного роста (укорочение высоты междоузлий), окраска листьев становится желто-зеленой, затем они покрываются бурыми
пятнами и отмирают, а у молодых листьев обнаруживается межжилковый хлороз [20]. При этом, как показывает анализ литературных данных, торможение роста растений является следствием целого ряда структурно-функциональных изменений и нарушений. В частности, установлено, что недостаток металла негативно отражается на активности меристе-матических клеток, подавляя в 2-3 раза скорость их деления, а также нарушая растяжение и дифференциацию [23]. Отчасти это может быть связано со снижением активности цинк-зависимых ферментов, участвующих в дыхании (глицер-альдегид-3-фосфатдегидрогеназа, альдолаза), поскольку в период активного деления клеток повышается запрос на энергетические и пластические ресурсы, образуемые в ходе этого процесса [24]. Помимо этого, при дефиците Zn, как уже отмечалось, снижается уровень гормона роста ИУК.
Наряду с торможением роста недостаток Zn приводит к задержке развития злаков. В частности, обнаружено, что Zn играет важную роль в индукции процессов перехода от вегетативной фазы развития к генеративной, и при недостатке этого микроэлемента у злаков задерживается наступление фаз выхода в трубку и колошения, замедляется формирование репродуктивных органов. Полагают, что подобный эффект во многом связан с уменьшением активности белков с доменом «цинковые пальцы» (в том числе ряда транскрипционных факторов), участвующих в процессе формирования репродуктивной меристемы из вегетативной [25].
Существенное негативное влияние оказывает недостаток Zn и на работу фотосинтетического аппарата (ФСА). В ряде исследований было обнаружено, что при недостатке Zn у злаков значительно тормозится скорость фотосинтеза, что является следствием многочисленных изменений и/или нарушений в ФСА. В первую очередь отмечают уменьшение в этих условиях содержания хлорофиллов, визуально выявляемое по хлорозу листьев [26]. Подобный эффект связывают со снижением активности некоторых ферментов, участвующих в биосинтезе зеленых пигментов [27]. Кроме того, обнаружено, что дефицит металла вызывает у злаков различные изменения в ультраструктуре хлоропластов, такие как дефор-
мация пластид, нарушение структуры внешней мембраны и мембран тилакоидов, деградация ламелл, а в некоторых случаях наблюдали даже полное разрушение ультраструктуры хло-ропластов [28].
Некоторые авторы связывают замедление скорости фотосинтеза при дефиците Zn с изменениями, затрагивающими световую фазу этого процесса. В частности, обнаружено, что при недостатке металла у кукурузы замедляется фотосинтетический транспорт электронов, а у мягкой пшеницы снижается потенциальная и реальная квантовая эффективность фотосистемы II [26]. По последним данным, это может быть связано со снижением активности цинксодержащего фермента — карбоан-гидразы, разные формы которой обнаружены во многих клеточных органеллах растений, в том числе и в хлоропластах [29].
Необходимо также отметить важную роль карбоангидразы для темновых реакций фотосинтеза, а именно для обеспечения рибу-лозобисфосфаткарбоксилазы (РУБИСкО) молекулами СО2 [29]. Оказалось, что у цинк-дефицитных растений снижение активности карбоангидразы приводит к подавлению кар-боксилазной активности РУБИСКО, что отрицательно отражается на скорости фотосинтеза.
Еще одной причиной замедления скорости фотосинтеза у злаков в условиях недостатка Zn является развитие в клетке окислительного стресса. Zn, как известно, играет заметную роль в регуляции генерации активных форм кислорода и в предотвращении нарушений ими клеточных мембран [30], что связано с его функцией сохранения структурной целостности мембран. Однако, помимо этого, Zn влияет на активность ряда антиокси-дантных ферментов, в частности, на Сы^п-супероксиддисмутазу (Сы^п-СОД) — один из ключевых ферментов антиоксидантной защиты, в состав которого входит этот металл [30]. Обнаружено, что при дефиците Zn активность Сы^п-СОД у ржи снижается в 2-3 раза, а у твердой пшеницы — более, чем в 5 раз [31]. Зафиксировано снижение активности и других антиоксидантных ферментов, а также неферментативных компонентов антиокси-дантной системы, что приводит к увеличению содержания активных форм кислорода в клетках и развитию в них окислительного стрес-
са, что в свою очередь вызывает структурные и функциональные нарушения в клеточных мембранах, негативно отражаясь на процессе фотосинтеза. По мнению ряда авторов, именно нарушение окислительно-восстановительных процессов у растений при недостатке Zn служит основной причиной его отрицательного влияния на фотосинтез [32].
Одним из наиболее ярко выраженных внешних симптомов дефицита Zn у растений является потеря тургора листьями и их увядание. Тем не менее до сих пор роль этого микроэлемента в водном обмене остается слабо изученной. Отмечается лишь, что у цинк-дефицитных растений замедлена интенсивность транспирации, что в значительной степени связано с частичным закрытием устьичной щели. Полагают, что сильный стресс, вызванный недостатком этого микроэлемента, приводит к снижению содержания в замыкающих клетках калия и, как следствие, к нарушению регуляции открытия устьиц [33].
Все перечисленные негативные воздействия дефицита Zn на растения злаков в конечном итоге приводят к снижению их семенной продуктивности. При этом помимо уменьшения общего урожая семян наблюдается отрицательное влияние и на отдельные компоненты семенной продуктивности. В частности, обнаружено уменьшение числа репродуктивных побегов, размеров колоса, количества колосков и зерен в колосе, массы зерновки и 1 000 зерен [34]. Как показывает анализ литературы, такого рода изменения являются, с одной стороны, следствием нарушений физиолого-биохимиче-ских процессов, с другой — отрицательного эффекта недостатка Zn на формирование органов цветка, процессы опыления и оплодотворения растений. В частности, при дефиците металла происходит нарушение микроспоро-генеза и гаметогенеза, выявлены изменения морфологии органов цветка: уменьшение размеров пестика, тычиночной нити и пыльников; обнаружена задержка формирования пыльцевой трубки и уменьшение фертильно-сти пыльцы, а также нарушение формирования пыльцевых зерен [35, 36]. Вопрос о причинах указанных изменений пока остается открытым. Предположительно, они могут быть связаны с уменьшением активности факторов транскрипции с доменом «цинковые пальцы»,
которые участвуют в развитии и функционировании пыльников и пыльцевых зерен [37].
Таким образом, исходя из анализа литературных данных, можно сделать вывод, что в основе негативных эффектов недостатка Zn на физиологические процессы у растений, в первую очередь, лежит снижение активности большого количества ферментов, в состав которых входит этот микроэлемент или участвует в их активации, а также транскрипционных факторов, содержащих в своем составе домен «цинковые пальцы». Это приводит к целому ряду изменений в клеточном метаболизме, включая нарушение гормонального баланса (уменьшение содержания ИУК), снижение содержания фотосинтетических пигментов и квантовой эффективности фотосистемы II, подавление скорости темновых реакций фотосинтеза, а также отток калия из замыкающих клеток устьиц, приводящий к нарушению регуляции устьичных движений. При сильном дефиците Zn в клетках резко возрастает количество активных форм кислорода и развивается окислительный стресс, вызывающий увеличение проницаемости клеточных мембран. Указанные изменения приводят к тому, что у растений тормозится рост и развитие, замедляется скорость фотосинтеза, нарушается водный обмен, и, как следствие, заметно снижается их продуктивность, что ведет к большим потерям урожая.
Генетическая биофортификация как
оптимальный подход к обогащению пищевых культур микронутриентами
Биофортификация — это повышение питательной ценности сельскохозяйственных культур за счет обогащения витаминами и микроэлементами. Различают агрономическую и генетическую биофортификации [38]. Первая основана на применении удобрений, содержащих микроэлементы, которые вносятся либо непосредственно в почву, либо используются в качестве внекорневой подкормки. Показано, что применение цинксодержащих удобрений является эффективным способом повышения содержания этого микроэлемента в зерне культурных злаков, однако данная стратегия сопряжена с постоянными денежными вложениями, что ограничивает возможности ее использования в развивающихся странах [39].
С экономической точки зрения более выгодной является генетическая биофортификация, основанная на традиционных методах селекции [40]. Интенсивные работы в этом направлении по обогащению пищевых культур цинком, железом и витамином А ведутся начиная с 2003 года в рамках программы HarvestPlus, сформированной Консультативной группой по международным сельскохозяйственным исследованиям (CGIAR) в ответ на признание дефицита микронутриентов в питании человека глобальной проблемой.
В годовом отчете HarvestPlus за 2018 год содержится информация о создании таких био-фортифицированных культур, как маниок, батат и кукуруза с повышенным содержанием витамина А; фасоль и просо с повышенным содержанием железа; кукуруза, пшеница и рис с повышенным содержанием цинка. Примерно 7,6 млн мелких фермерских хозяйств в странах Азии, Африки и Латинской Америки выращивали в 2018 году поставляемые HarvestPlus биофортифицированные культуры, что принесло пользу примерно 38 млн членов фермерских семей, причем эта цифра не учитывает людей, потреблявших биообогащенные культуры, купленные на рынках, или пищевые продукты, приготовленные из этих культур [41]. В 2019 году количество фермерских хозяйств, охваченных биофортифицированными культурами, возросло до 8,5 млн [42], а к концу 2020 года этот показатель достиг 9,7 млн, что на 14% больше, чем в 2019 году [43]. В качестве конкретного достижения программы за прошедший год можно привести реализацию в Пакистане биофортифицированного цинком сорта пшеницы Акбар-2019, разработанного HarvestPlus совместно с СГММГТ. По сравнению с традиционными сортами Акбар-2019 содержит на 26% больше цинка и помимо этого характеризуется высокой урожайностью и устойчивостью к ржавчине — наиболее вредоносной болезни пшеницы в Пакистане. Здесь уместно будет отметить, что Пакистан является страной с одним из самых высоких в мире уровней потребления пшеницы, на долю которой приходится 72% ежедневного потребления калорий [43].
В целом, на сегодняшний день в рамках программы HarvestPlus реализовано или проходят испытания более 290 биофортифицированных
сортов двенадцати основных продовольственных культур, которыми охвачено более 33 млн человек в 60 странах мира. Предполагается, что к 2030 году биообогащенными продуктами питания будет обеспечен 1 млрд человек.
Другим направлением исследований в рамках генетической биофортификации является трансгенез. Работы этого плана сфокусированы на достижении гиперэкспрессии генов, ответственных за поглощение, транспорт и накопление микроэлементов в тканях растений, причем модельным объектом для этих исследований является рис [44]. Так, группой испанских ученых были созданы трансгенные растения риса, способные продуцировать повышенное количество таких транспортеров металлов, как никотианамин (NA) и 2'-дезок-симугеновая кислота (DMA), что привело к накоплению в эндосперме в 4 раза больше железа и в 2 раза больше цинка [45]. Схожие результаты были получены в Японии: Masuda et al. [46] увеличили накопление ферритина, являющегося внутриклеточным депо-белком для ионов железа, а также усилили поток металла в эндосперм риса за счет сверхэкспрессии транспортера железа (II) — никотианамина OsYSL2. В итоге у трансгенных растений произошло повышение содержания в зерне железа (в 6 раз в теплице и в 4,4 раза в поле) и цинка (в 1,6 раза). На основании полученных данных авторы пришли к выводу, что модификации нескольких генов, участвующих в гомеостазе железа и цинка, более эффективны для обогащения зерновых культур микроэлементами. Особого внимания заслуживает тот факт, что устранение в рисе дефицита железа одновременно приводит к увеличению накопления цинка. Помимо представленных выше данных, об этом же свидетельствуют работы Aung et al. [47], направленные на создание в Мьянме, где 70% населения страдает от дефицита железа, трансгенной линии риса, обогащенной этим элементом. Авторам удалось добиться сверхэкспрессии гена никотианаминсинта-зы HvNAS1 для усиления транспорта железа в вегетативных частях растения, гена-транспортера Fe (II) никотианамин OsYSL2 для усиления оттока железа в эндосперм и гена запасного белка Fe SoyferH2 для увеличения накопления железа в эндосперме. В итоге созданные трансгенные растения риса накапли-
вали более чем в 3,4 раза больше Fe, а также в 1,3 раза больше цинка по сравнению с исходным сортом. Это указывает на наличие общих генетико-физиологических механизмов, участвующих в поглощении микроэлементов растениями из почвы, их транспорте и накоплении в вегетативных органах с последующей ремобилизацией в зерно.
Несмотря на результативность метода генной инженерии, в литературе отмечается, что с точки зрения сочетания экономичности и эффективности он в значительной мере уступает традиционным методам селекции, основанным на генетической изменчивости [48], однако и тут есть свои ограничения. Далеко не все окультуренные виды в процессе селекции сохранили широкий диапазон изменчивости признаков. В особенности это касается пшеницы, утратившей в ходе длительного селекционного процесса многие присущие дикорастущим видам ценные аллели, в том числе ответственные за высокое содержание микроэлементов. Так, концентрация цинка ^п) и железа ^е) в зерне современных сортов составляет в среднем 25 и 35 мг/кг соответственно, в то время как у образцов дикой полбы (Т. dicoccoides) — 61 и 46 мг/кг [49]. Такая же тенденция отмечена и для других диких сородичей пшеницы, принадлежащих родам ТгШсит и Aegilops. В связи с этим большие надежды в контексте решения проблемы дефицита микроэлементов возлагаются на отдаленную гибридизацию.
Значительный оптимизм в этом плане внушает выявление у Т. dicoccoides (2п = 4х = 28, геномная формула ВВАиАи), или дикой двузернянки, локуса Gpc-B1, влияющего на содержание белка в зерне, а также, как затем оказалось, на концентрацию железа и цинка. Локус был картирован в коротком плече хромосомы 6В, а при детальном уточнении границ участка его локализации была найдена последовательность, идентифицированная как ген, кодирующий NAC-доменный белок [50]. NAC-белки, принадлежащие к одному из самых больших и специфичных для растений семейств NAC-факторов транскрипции, участвуют в регуляции различных программ развития растений, контроле защитных реакций на биотические и абиотические стрессоры, играют важную роль в процессе старения растений [13].
При сравнении нуклеотидных последова-
тельностей гена Gpc-B1 у сорта пшеницы Langdon и созданной на его основе интро-грессивной линии, несущей генетический материал Т. dicoccoides, было обнаружено, что в позиции 933 у сорта имеется вставка 1 п. н., приводящая к сдвигу рамки считывания. Рассчитанный для этого аллеля белок был неактивным [51].
Определение нуклеотидной последовательности локуса позволило разработать молекулярные маркеры, способные выявлять функционально активные и/или неактивные аллели Gpc-B1 и проводить генетический скрининг образцов коллекций на их наличие. В результате такого скрининга функциональный аллель Gpc-B1 был обнаружен у 42 образцов Т. dicoccoides и у 17 из 19 изученных образцов Т. dicoccum, или культурной полбы. Напротив, 57 сортов твердой пшеницы и 34 сорта мягкой пшеницы или содержали инсерцию 1 п. н., или имели делецию гена — частичную или полную, и, как следствие, неактивный продукт или его отсутствие [52]. Это еще более упрочило позиции отдаленной гибридизации в плане повышения питательной ценности зерна пшеницы.
Первыми гексаплоидными формами пшеницы, в которые целенаправленно были введены функциональные аллели Gpc-B1, стали созданные в США сорт Glupro (N0-643) и селекционные линии N0-683 и N0-645 [53]. В Канаде посредством создания дигаплоидов и применения маркер-опосредованного отбора было получено три коммерческих сорта яровой мягкой пшеницы, которые незначительно превосходили или не отличались по урожайности от сортов с отсутствием функциональных Gpc-B1 аллелей, но все они имели более высокий процент белка в зерне (от 13,4 до 16,1%) и созревали на два-три дня раньше [54].
С целью уточнения эффектов функциональных аллелей гена Gpc-B1 на содержание белка в зерне в разных генетических средах и определения их влияния на другие признаки, в разных странах мира (США, Аргентина, Индия, Китай, Австралия и др.) были созданы и изучены серии почти изогенных линий на основе мягкой и твердой пшеницы. Обобщение полученных данных позволило сделать вывод, что интрогрессия функционального Gpc-B1 аллеля в геном культурных пшениц
обоих уровней плоидности приводит к повышению содержания белка и ключевых минералов в зерне, улучшению уборочного индекса азота, увеличению сбора белка с единицы площади без ощутимого снижения урожая зерна, что свидетельствует о высокой эффективности данной стратегии, включающей применение молекулярных маркеров, в плане повышения питательной ценности культуры [55].
Поиск иных локусов, связанных с накоплением микроэлементов в зерне, проведенный на диплоидном А-геноме пшеницы, привел к идентификации двух QTL на хромосомах 2А и 7А, влияющих на содержание Fe, и одного QTL на хромосоме 7А — на содержание Zn [56]. Другими исследователями в картирова-ной популяции Т. топососсит основной QTL, связанный с высоким содержанием в зерне цинка, железа, меди и марганца, был выявлен на хромосоме 5В [57]. В ходе изучения популяции из 80 дигаплоидных линий мягкой пшеницы было идентифицировано 4 QTL, ассоциированных с содержанием Zn, локализованных на хромосомах 3Б, 4В, 6В и 7А [58]. При этом каждый QTL оказывал относительно небольшое влияние на признак, но сочетание в одном генотипе четырех локусов увеличивало концентрацию металла на 23%. По мнению авторов, хотя это и свидетельствует о перспективности пирамидирования генов для повышения содержания микроэлемента в зерне, однако более результативным будет использование отдельных QTL с большими эффектами.
Между тем выявление таких QTL с использованием традиционного картирования ограничено необходимостью создания двуроди-тельских популяций и низким разрешением позиционирования QTL. В последнее время для анализа генетического контроля сложных признаков пшеницы стали применять технологию поиска полногеномных ассоциаций (GWAS), преимуществом которой является более высокий уровень разрешения и охвата аллелей, а также возможность использования больших наборов анализируемых образцов. В селекционном центре СГММУТ эта технология впервые была использована для анализа генетики накопления в зерне Zn на материале 330 линий мягкой пшеницы [59]. Проведенный GWAS-анализ выявил 39 ассоциаций маркер-
признак для накопления Zn в зерне. На хромосомах 2 и 7 были обнаружены два района QTL с большим эффектом на исследуемый признак, связанные с генами-кандидатами (среди них мотив «цинковые пальцы» и гены связывания ионов металлов). По мнению авторов, использование GWAS-анализа существенно повысит результативность работ по выявлению локусов, ответственных за высокое качество зерна, а разработанные к ним на основе ПЦР маркеры позволят проводить эффективный отбор доноров целевых признаков из разных генетических ресурсов, включая дикорастущих сородичей пшеницы, что в конечном итоге значительно ускорит прогресс в области биофортификации этой культуры микронутриентами.
Заключение
Представленные в обзоре литературные данные свидетельствуют о том, что проблема дефицита цинка в рационе питания имеет глобальный характер и затрагивает население не только развивающихся, но и развитых стран. Недостаток этого микроэлемента в организме вызывает целый ряд специфических заболеваний, а также осложняет течение самых распространенных болезней, существенно снижая качество жизни человека. Особенно остро эта проблема стоит в странах, где значительную часть рациона питания населения составляют злаки (рис, пшеница, кукуруза), характеризующиеся низким содержанием всех микронутриентов, включая Zn. Исходя из этого, решение проблемы заключается в разработке оптимальной технологии биофортификации зерновых культур микроэлементами. Интенсивные работы в этом направлении ведутся с начала 2000-х годов. Использование в рамках программы HarvestPlus технологии, основанной на традиционных методах селекции, позволило создать 290 биофортифицирован-ных сортов 12 основных продовольственных культур, которые реализованы в 60 странах Азии, Африки и Латинской Америки. Однако эта технология не подходит для культур, современные сорта которых характеризуются низким уровнем изменчивости, в особенности это касается пшеницы. В этом случае большие надежды возлагаются на отдаленную гибридизацию с применением маркер-опосредованной селекции. О перспективности такого
подхода свидетельствуют результаты интро-грессии в геном пшеницы дикого аллеля гена Gpc-B1 от T. dicoccoides. Дальнейшему прогрессу в этом направлении будет способствовать расширение пула идентифицированных ключевых генов, вовлеченных в процессы поглощения, транспорта и накопления микроэлементов в тканях растений, и их пирамиди-рование в одном генотипе в результате контролируемых с помощью молекулярных маркеров скрещиваний. Стремительное развитие молекулярных технологий предоставляет широкие возможности для реализации такого подхода.
Статья подготовлена в ходе исследований, выполняемых при поддержке БРФФИ (грант № Б20Р-240) и РФФИ (грант Бел а № 20516-00016).
Список использованных источников
1. Hotz, C. Assessment of the risk of zinc deficiency in populations and options for its control / C. Hotz, K. H. Brown // Food & Nutrition Bulletin. - 2004. - Vol. 25, № 1. - Р. 94-204.
2. Welch, R. M. Breeding for micronutrient in staple food crops from a human nutrition perspective / R. M. Welch, R. D. Graham // J. Exp. Bot.
- 2004. - Vol. 55, № 396. - Р. 353-364.
3. Sanchez, P. A. "Cutting World Hunger in Half." / P. A. Sanchez, M. S. Swaminathan // Science. - 2005. - Vol. 307, № 5708. - Р. 357-359.
4. Cakmak, I. Enrichment of cereal grains with zinc: Agronomic or genetic biofortification? / I. Cakmak // Plant Soil. - 2008. - Vol. 302, № 1. -P. 1-17.
5. Nutritious subsistence food system / R. D. Graham [et al.] // Advances in Agronomy. - 2007.
- Vol. 92, № 1. - Р. 1-74.
6. Kinetic analysis of zinc metabolism and its regulation in normal humans / M. E. Wastney [et al.] // Am. J. Physiol. - 1986. - Vol. 251, №2. Pat.2. - P. 398-408.
7. Vallee, B. L. The biochemical basis of zinc physiology / B. L. Vallee, K. H. Falchuk // Physiol. Rev. - 1993. - Vol. 73, № 1. - P. 79-118.
8. Zinc and human health: an update / C. T. Chasapis [et al.] // Arch Toxicol. - 2012. - Vol. 86, № 4. - P. 521-534
9. Prasad, A. S. Syndrome of iron deficiency anemia, hepatosplenomegaly, hypogonadism, dwarfism and geophagia / A. S. Prasad, J. A. Hal-
sted, M. Nadimi // Am. J. Med. - 1961. - Vol. 31. № 4. - P. 532-546.
10. Zinc metabolism in patients with the symptoms of iron deficiency, anaemia, hepatospleno-megaly, dwarfism and hypogonadism / A. S. Prasad [et al.] // J. Lab. Clin. Med. - 1963. - Vol. 61, № 6. - P. 537-549.
11. Prasad, A. S. Discovery of Zinc for Human Health and Biomarkers of Zinc Deficiency / A. S. Prasad // Molecular, Genetic, and Nutritional Aspects of Major and Trace Minerals, ed. J. F. Collins. Academic Press, 2017, P. 241-260.
12. Zinc intake and status in middle-aged and older European subjects: The ZENITH study / M. Andriollo-Sanchez [et al.] // Eur. J. Clin. Nu-tr. - 2005. - Vol.59, № 1. - P. 37-41.
13. Zinc and its importance for human health: An integrative review / N. Roohani [et al.] // J. Res. Med. Sci. - 2013. - Vol.18, № 2. - P. 144-157.
14. Hambidge, K. M. Zinc. / K. M. Hambidge,
C. E. Casey, N. F. Kreps // Trace Elements in Human and Animal Nutrition. Mez W., editor. - Orlando: Academic Press; 1986. - Р. 1-37.
15. Assessment of the risk of zinc deficiency in populations and options for its control / K. H. Brown [et al.] // Food Nutr Bull. - 2004. - Vol.25.
- P. 99-203.
16. Zink content of human retinal pigment epithelium decreases with age and macular degeneration but superoxide dismutase activity increases /
D. A. Newsome [et al.] // J. Trace Elem. in Experimental Med. - 1996. - Vol. 8, № 4. - P. 193-199.
17. Федеральные клинические рекомендации по оказанию медицинской помощи детям с болезнью Вильсона. - 2013. - URL: http://zdravalt.ru/upload/iblock/51e/51e5b01d8 40382bc60d6c964efff2a6b.pdf (дата обращения 09.03.2021).
18. Об использовании цинка и витамина С для профилактики и адъювантной терапии острых респираторных заболеваний / О. А. Громова [с соавт.] // Терапия - 2017. - №1 (11).
- С. 36-46.
19. О перспективах использования микрону-триентов в терапии коронавирусной инфекции у пациентов с коморбидной патологией / О. А. Громова [с соавт.] // РМЖ «Медицинское обозрение». - 2020. - № 8 - С. 504-510.
20. Zinc in plants / M. R. Broadley [et al.] // New Phytologist. - 2007. - Vol.173. - P. 677-702.
21. Role of Zn nutrition in membrane stability,
leaf hydration status, and growth of common bean grown under soil moisture stress / S. Ghanepour [et al.] // J. Bio. & Env. Sci. -2015. - Vol. 6, № 4.
- P. 9-20.
22. Alloway, B. J. Zinc in soil and crop nutrition / B. J. Alloway. - Brussels, Paris: iZA and IFA, 2008. - 136 p.
23. Internal zinc accumulation is correlated with increased growth in rice suspension culture / B. Hossian [et al.] // J. Plant Growth Regul. -1997. - Vol. 16, № 4. - P. 239-243.
24. Spatial-temporal analysis of zinc homeo-stasis reveals the response mechanisms to acute zinc deficiency in Sorghum bicolor / Y. Li [et al.] // New Phytologist. - 2013. - Vol. 200, № 4. -P. 1102-1115.
25. Colasanti, J. The indeterminate gene encodes a zinc finger protein and regulates a leaf-generated signal required for the transition to flowering in maize / J. Colasanti, Z. Yuan, V. Sundaresan // Cell. - 1998. - Vol. 93, № 4. -P. 593-603.
26. Wang, H. Photosynthetic rate, chlorophyll fluorescence parameters, and lipid peroxidation of maize leaves as affected by zinc deficiency /
H. Wang, J. Y. Jin // Photosynthetica. - 2005. -Vol. 43, № 4. - P. 591-596.
27. Balashouri, P. Effect of zinc on germination, growth and pigment content and phytomass of Vigna radiata and Sorghum bicolor / P. Ba-lashouri // J. Ecobiol. - 1995. - Vol. 7, № 2. -P. 109-114.
28. Differential changes in photosynthetic capacity, 77 K chlorophyll fluorescence and chlo-roplast ultrastructure between Zn-efficient and Zn-inefficient rice genotypes (Oryza sativa) under low zinc stress / W. Chen [et al.] // Physiol. Plantarum. - 2008. - Vol. 132, № 1. - P. 89-101.
29. Карбоангидразы фотосинтезирующих клеток высших растений / Н. Н. Руденко [с соавт.] // Биохимия. - 2015. - Т. 80, Вып. 6. -С. 798-813.
30. Cakmak, I. Possible roles of zinc in protecting plant cells from damage by reactive oxygen species / I. Cakmak // New Phytol. - 2000.
- Vol. 146, № 2. - P. 185-205.
31. Morphological and physiological differences in the response of cereals to zinc deficiency /
I. Cakmak [et al.] // Euphytica. - 1998. - Vol. 100, № 1-3. - P. 349-357.
32. Holler, S., Zinc deficiency differentially
affects redox homeostasis of rice genotypes contrasting in ascorbate level / S. Holler, A. Meyer, M. Frei // J. Plant Physiol. - 2014. - Vol. 171, № 18. - P. 1748-1756.
33. Sharma, P. N. Zinc requirement for stoma-tal opening in cauliflower / P. N. Sharma, A. Trip-athi, S. S. Bisht // Plant Physiol. - 1995. - Vol. 107, № 3. - P. 751-756.
34. Physiological responses and Yield of wheat plants in zinc-mediated alleviation of drought stress / D. Ma [et al.] // Frontiers in Plant Sci. -
2017. - Vol. 8. - Article number: 860.
35. Pandey, N. Zinc is critically required for pollen function and fertilization in lentil / N. Pan-dey, G. Pathak, C. P. Sharma // J. Trace Elem. Med. Biol. - 2006. - Vol. 20, № 2. - P. 89-96.
36. Zinc deficiency and anther development in maize / P. N. Sharma [et al.] // Plant Cell Physiol.
- 1987. - Vol. 28, № 1. - Р. 11-18.
37. Genome-wide identification of C2H2 zinc-finger gene family in rice and their phylogeny and expression analysis / P. Agarwal [et al.] // Plant Mol. Biol. - 2007. - Vol. 65, № 4. - P. 467-485.
38. Biofortification of durum wheat (Triticum turgidum L. ssp. durum (Desf.) Husnot) grains with nutrients / I. M. Pataco [et al.] // J. of Plant Interactions, 2017 Vol. 12, № 1, P. 39-50.
39. Cakmak, I. Agronomic biofortification of cereals with zinc: a review / I. Cakmak, U. B. Kutman // European Journal of Soil Science. -
2018. - Vol. 69, № 1. - P. 172-180.
40. Introgression of the high grain protein gene Gpc-B1 in an elite wheat variety of Indo-Gangetic Plains through marker assisted backcross breeding / M. K. Vishwakarma [et al.] // Curr. Plant Biol. - 2014. - Vol. 1, № 1. - Р. 60-67.
41. Catalyzing Biofortified Food Systems: 2018 Annual Report [Электронный ресурс].
- 2018. - URL: https://www.harvestplus.org/ knowledge-market/publications (дата обращения 20.09.2019)
42. Getting Biofortified Food On Everyone's Plate: 2019 Annual Report [Электронный ресурс]. - 2019. - URL: https://www.harvest-plus.org/knowledge-market/publications (дата обращения 10.03.2020)
43. Responding to Crisis, Building Resilience: 2020 ANNUAL REPORT [Электронный ресурс]. - 2018. - URL: https://www.harvestplus. org/sites/default/files/HarvestPlus2020.pdf (дата обращения 27.08.2021)
44. Biofortified indica rice attains iron and zinc nutrition dietary targets in the field / K. R. Trijat-miko [et al.] // Sci. Rep. - 2016. - Vol. 6, Article number: 19792.
45. Phytosiderophores determine thresholds for iron and zinc accumulation in biofortified rice endosperm while inhibiting the accumulation of cadmium / R. Banakar [et al.] // J. Exp. Bot. - 2017.
- Vol. 68, Article number: 17. - P. 4983-4995.
46. Iron biofortification in rice by the introduction of multiple genes involved in iron nutrition / H. Masuda [et al.] // Sci. Rep. - 2012. - Vol. 2, Article 543.
47. Iron biofortification of Myanmar rice / M. S. Aung [et al.] // Front. Plant Sci. - 2013. -Vol. 4, Article number: 158.
48. Biofortification strategies to increase grain zinc and iron concentrations in wheat / G. Velu [et al.] // J. Cer. Sci. - 2014. - Vol. 59, № 3. -P. 365-372.
49. Triticum dicoccoides: An important genetic resource for increasing zinc and iron concentration in modern cultivated wheat / I. Cakmak [et al.] // Soil Sci. Plant Nutr. - 2004. - Vol. 50, № 7.
- P. 1047-1054.
50. Uauy, C. The high grain protein content gene Gpc-B1 accelerates senescence and has pleiotropic effects on protein content in wheat / C. Uauy, J. C. Brevis, J. Dubcovsky // J. Exp. Bot. - 2006. - Vol. 57, № 11. - Р. 2785-2794.
51. NAC proteins: regulation and role in stress tolerance / S. Puranik [et al.] // Trends Plant Sci.
- 2012. - Vol. 17, № 6. - Р. 369-381.
52. A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zink, and iron content in wheat / C. Uauy [et al.] // Science. - 2006. -Vol. 314, № 5803. - Р. 1298-1301.
53. Mesfin, A. RFLP markers associated with high grain protein from Triticum turgidum L. var. dicoccoides introgressed into hard red spring wheat / A. Mesfin, R. Frohberg, J. A. Anderson // Crop Sci. - 1999. - Vol. 39, No. 2. - P. 508-513.
54. Fox, S. L. Somerset hard red spring wheat / S. L. Fox, D. G. Humphreys, B. D. McCallum // Can. J. of Plant Sci. - 2006. - Vol. 86, № 1. -Р. 163-167.
55. Рибалка, О. I. GPC-B1 (NAM-B1) ген як новий генетичний ресурс у селекцп пшениц на тдвищення вмюту бшка в зерш та мшроелемешив / О. I. Рибалка, Б. В. Моргун, С. С. Полщук // Физиология растений и гене-
тика. - 2018. - Т. 50, № 4. - С.279-298.
56. Mapping of quantitative trait loci for grain iron and zinc concentration in diploid a genome wheat / V. K. Tiwari [et al.] // J. Hered. - 2009. -Vol.100, № 6. - Р. 771-776.
57. Natural variation and identification of micro-elements content in seeds of Einkorn Wheat (Triticum monococcum) / H. Ozkan [et al.] // Proc. 7th Intern. Wheat Conf., 27 Nov.-2 Dec. 2005, Mardel Plata, Argentina. - Р. 455-462.
58. Quantitative trait loci analysis of zinc efficiency and grain zinc concentration in wheat using whole genome average interval mapping / Y. Genc [et al.] // Plant Soil. - 2009. - Vol. 314, № 1-2. - P.49-66.
59. Genetic dissection of grain zinc concentration in spring wheat for mainstreaming biofortification in CIMMYT wheat breeding / G. Velu [et al.] // Scientific Reports. - 2018. - Vol. 8. - Article number: 13526.
N. I. Dubovets1, N. M. Kaznina2, O. A. Orlovskaya1, E. A. Sycheva1
PROBLEM OF ZINC DEFICIENCY IN A DIET OF THE POPULATION AND BIOTECHNOLOGICAL APPROACHES TO ITS SOLUTION
1State Scientific Institution "Institute of Genetics and Cytology of NAS of Belarus" 27 Akademicheskaya St., 220072 Minsk, Republic of Belarus e-mail: [email protected] institute of Biology of the Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences 11 Pushkinskaya St., 185610 Petrozavodsk, Russia
The article provides an overview of the literature on the impact of zinc deficiency in food on human health. The global nature of the problem is emphasized, covering the population of not only developing, but also developed countries. The study results have been analyzed aimed at investigating the effect of zinc deficiency on the main physiological processes of cultivated cereals, ensuring their productivity. Modern approaches to the biofortification of agricultural crops with micronutrients are considered and the success achieved in this direction is described. It was concluded that distant hybridization coupled with the use of molecular markers is an optimal approach to increasing the nutritional value of wheat grain, including its enrichment with zinc.
Keywords: zinc deficiency, health, cereals, physiological processes, productivity, nutritional value of grain, genetic biofortification.
Дата поступления статьи: 15 сентября 2021 г.
